DE102009040864A1 - Friktions-Motorspindel - Google Patents

Abstract

Eine Friktions-Motorspindel weist eine zur Lagerung einer Spindel (3) vorgesehene Lagereinheit (4), welche zwei axial voneinander beabstandete Wälzlager (5) umfasst, auf, sowie einen zum Direktantrieb der Spindel (3) vorgesehenen Elektromotor (2) ohne eigene Lagerung, und weiter ein drehfest mit der Spindel (3) verbundenes, ein Teil eines Umschlingungsgetriebes bildendes Getriebeelement (7), wobei der Elektromotor (2) der Lagereinheit (4) unmittelbar benachbart ist.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft eine zur Verwendung in einem Friktionsfalschdrallaggregat geeignete Friktions-Motorspindel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Hintergrund der Erfindung
• Eine gattungsgemäße Friktions-Motorspindel ist aus der EP 0 828 872 B1 bekannt, wobei insbesondere auf die 14 und 15 des genannten Dokuments verwiesen wird. Das darin offenbarte Friktionsfalschdrallaggregat umfasst drei Friktions-Motorspindeln, welche jeweils einen elektrischen Direktantrieb aufweisen. Zur Synchronisation der drei Spindeln weist jede Spindel zusätzlich zum elektrischen Direktantrieb ein Stirnrad auf, wobei ein Zahnriemen auf die drei Stirnräder aufgelegt ist.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für ein Friktionsfalschdrallaggregat geeignete, einen elektrischen Direktantrieb aufweisende Motorspindel anzugeben, welche sich bei kompaktem, fertigungsfreundlichem Aufbau durch besonders günstige mechanische Eigenschaften, insbesondere Schwingungseigenschaften, auszeichnet.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Friktions-Motorspindel mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Friktions-Motorspindel umfasst eine zur Lagerung einer Spindel, nämlich Friktionsspindel, vorgesehene Lagereinheit, welche zwei axial voneinander beabstandete Wälzlager einschließt, sowie einen zum Direktantrieb der Spindel vorgesehenen, keine eigene Lagerung aufweisenden Elektromotor. Mit der Spindel ist ein Getriebeelement, welches als Teil eines Umschlingungsgetriebes vorgesehen ist, drehfest verbunden, wobei der Elektromotor der Lagereinheit unmittelbar benachbart ist.
• Gemäß einer ersten Variante ist der Elektromotor axial zwischen dem Getriebeelement und der Lagereinheit angeordnet. Gemäß einer zweiten Variante ist der Elektromotor auf der dem Getriebelement abgewandten Seite der Lagereinheit angeordnet.
• Im Gegensatz zu der aus der EP 0 828 872 B1 bekannten Anordnung ist bei der erfindungsgemäßen Motorspindel somit in jeder Variante der Elektromotor besonders nah an der Lagereinheit angeordnet, wobei gemäß der ersten Variante der Elektromotor näher als das Getriebeelement, beispielsweise eine Zahnriemenscheibe, ein Zahnrad ober ein reibschlüssig arbeitendes Getriebeelement, insbesondere eines Umschlingungsgetriebes, an der Lagereinheit angeordnet ist. Bei beiden Varianten hat sich herausgestellt, dass in besonders geringem Maße Schwingungen in die Spindel eingebracht werden, wobei nahezu das theoretisch nochmals verbesserte Schwingungsverhalten, welches bei einem zwischen den Wälzlagern der Lagereinheit angeordneten Elektromotor gegeben wäre, erreicht wird. Wesentlich relevanter als das theoretisch noch optimierbare Schwingungsverhalten ist jedoch die Tatsache, dass der Motor außerhalb der Lagereinheit, beispielsweise oberhalb oder unterhalb der Lagereinheit, angeordnet und somit ein montagefreundlicher Aufbau gegeben ist. Die Lagereinheit stellt vorzugsweise eine vormontierte Baueinheit mit zwei axial gegeneinander vorgespannten Lagern, insbesondere Kugellagern, dar.
• Gemäß einer ersten Ausführungsform, die mit beiden Varianten – was die Anordnung des Elektromotors relativ zur Lagereinheit sowie zum Getriebeelement betrifft – kombinierbar ist, ist der Elektromotor als Außenläufer ausgebildet, wobei vorzugsweise dessen Rotor die Lagereinheit in Radialrichtung überragt. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch ein hohes Drehmoment des elektrischen Direktantriebs aus. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der zwischen dem Stator und dem Rotor des Elektromotors gebildete Luftspalt radial außerhalb der äußeren Wälzkörperlaufbahnen der Lagereinheit angeordnet. Die Angaben „axial” und „radial” beziehen sich stets auf die Rotationsachse des Elektromotors und damit der gesamten Friktions-Motorspindel.
• Gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche ebenfalls mit beiden Varianten – betreffend die Anordnung des Elektromotors – kombinierbar ist, ist der Elektromotor als Innenläufer ausgebildet. In diesem Fall sind am Außenumfang des Elektromotors keine rotierenden Teile vorhanden.
• Sowohl in der Ausführungsform als Innenläufer als auch in der Ausführungsform als Außenläufer kommen verschiedene Arten von Elektromotoren zum Antrieb der Spindel in Betracht: Im Fall eines Synchronmotors ist insbesondere ein mit Permanentmagneten bestückter Motor geeignet, wobei die Permanentmagnete vorzugsweise auf dem Rotor angeordnet sind, während der Stator bestrombare Spulen aufweist.
• Der Synchronmotor der Friktions-Motorspindel kann entweder als Wechselstrommotor oder als Gleichstrommotor ausgebildet sein. Weiter sind als mögliche Motorbauarten ein Asynchronmotor sowie ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor zu nennen.
• Besonders hinsichtlich Robustheit, auch unter rauen Umgebungsbedingungen, und Herstellungsaufwand weist ein als Antrieb der Friktions-Motorspindel verwendbarer Reluktanzmotor, insbesondere ein geschalteter Reluktanzmotor oder ein Reluktanz-Schrittmotor, Vorteile auf. Ein solcher Motor weist keine Magnete auf. Insbesondere ein als Schrittmotor ausgebildeter Reluktanzmotor benötigt lediglich eine einfach aufgebaute Motoransteuerelektronik. Die im Vergleich zu permanentmagneterregten Synchronmotoren geringere Drehmomentdichte von Reluktanzmotoren ist in vielen Anwendungsfällen ausreichend.
• Der Rotor des Elektromotors oder eine Komponente des Rotors des Elektromotors kann einstückig mit der Spindel ausgebildet sein. Ebenso kann der Rotor beispielsweise durch eine Press- oder Klebeverbindung drehfest mit der Spindel verbunden sein.
• Je nach Motorbauart und gewünschten Steuerungseigenschaften kann der elektrische Direktantrieb, das heißt getriebelose elektrische Antrieb, eine sensorlose Vektorregelung, eine U/f-Steuerung oder eine Regelung über einen an den Elektromotor angebauten oder in diesen eingebauten Drehwinkelstellungsgeber aufweisen.
• Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
• Kurze Beschreibung der Zeichnung
• 1 eine Friktions-Motorspindel mit einem als Außenläufer ausgebildeten elektrischen Direktantrieb,
• 2 eine Friktions-Motorspindel mit einem als Innenläufer ausgebildeten elektrischen Direktantrieb.
• 3 eine weitere Friktions-Motorspindel mit einem als Innenläufer ausgebildeten elektrischen Direktantrieb.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
• Einander entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die folgenden Ausführungen beziehen sich, soweit nicht anders erwähnt, auf alle Ausführungsformen.
• Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Friktions-Motorspindel ist zum Einbau in ein Friktionsfalschdrallaggregat vorgesehen, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs genannten Stand der Technik sowie auf die DE 10 2005 023 928 A1 verwiesen wird.
• Die Friktions-Motorspindel 1 umfasst einen Elektromotor 2, welcher zum direkten Antrieb einer Spindel 3, welche nicht dargestellte Friktionsscheiben trägt, vorgesehen ist. Die Lagerung der Spindel 3 sowie des Elektromotors 2 erfolgt mittels einer Lagereinheit 4, die zwei Wälzlager 5, nämlich axial gegeneinander vorgespannte Kugellager, umfasst und in den Ausführungsbeispielen nach den 1 und 2 axial zwischen dem Elektromotor 2 und einnem zum Tragen der Friktionsscheiben vorgesehenen Abschnitt 6 der Spindel 3 angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel nach 3 dagegen ist der Elektromotor 2 zwischen der Lagereinheit 4 und dem Abschnitt 6 der Spindel 3 angeordnet.
• Auf der der Lagereinheit 4 abgewandten Seite des Elektromotors 2 schließt sich in der Anordnung nach 1 sowie in der Anordnung nach 2 an den Elektromotor 2 ein als Teil eines Umschlingungsgetriebes fungierendes Getriebeelement 7, nämlich eine Zahnriemenscheibe, an. In der Anordnung nach 3 ist das Getriebeelement 7 der Lagereinheit 4 unmittelbar benachbart. In allen Fällen ist die Zahnriemenscheibe 7 oder ein sonstiges rotierbares Getriebeelement, beispielsweise ein Zahnrad, prinzipiell ebenso wie der Elektromotor 2 zum rotativen Antrieb der Spindel 3 geeignet. Vorzugsweise wird die Zahnriemenscheibe 7 beziehungsweise das sonstige Getriebeelement jedoch als Abtriebselement verwendet. Im Fall einer Zahnriemenscheibe 7 als Getriebeelement werden über einen nicht dargestellten Zahnriemen zwei weitere, keinen eigenen elektrischen Antrieb aufweisende Friktionsspindeln innerhalb des Friktionsfalschdrallaggregats angetrieben.
• Der ebenso wie das rotierbare Getriebeelement 7 ohne eigene Lagerung arbeitende Elektromotor 2 weist einen Stator 8 und einen Rotor 9 auf, wobei der Stator 8 über nicht dargestellte Leitungen mit Energie versorgbare elektrische Spulen 10 aufweist, während der Rotor 9 mit Permanentmagneten 11, insbesondere Seltenerdmagneten, bestückt ist. Zwischen dem Stator 8 und dem Rotor 9 ist ein Luftspalt 12 gebildet.
• Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Rotor 9 als topfförmiger Außenrotor ausgebildet und an seiner zylindrischen Innenwandung mit den Permanentmagneten 11 bestückt. Der ringförmige Luftspalt 12 ist hierbei radial außerhalb des durch die Mittelpunkte der einzelnen Wälzkörper 13, nämlich Kugeln, eines Wälzlagers 5 beschriebenen Teilkreises angeordnet. In Fällen, in denen die beiden Wälzlager 5 der Lagereinheit 4 unterschiedliche Durchmesser aufweisen, gilt diese Relation für jedes der Wälzlager. Durch den großen Durchmesser des ringförmigen Luftspalts 12 ist auch ohne aufwendige Kühlung des Elektromotors 2 ein hohes Drehmoment erzeugbar, wobei durch die dünnwandige Bauweise des Rotors 9 insgesamt eine kompakte Form der Friktions-Motorspindel 1 gegeben bleibt. Die bestrombaren Spulen 12 sind über ein Zwischenstück 14, welches zwei hohlzylindrische Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers aufweist und dem Stator 8 zuzurechnen ist, fest mit einem nicht rotierenden Mantel 15 der Lagereinheit 4 verbunden. Die zum Zwischenstück 14 konzentrische Spindel 3 ist ohne Kontakt zu dem Zwischenstück 14 durch dieses durchgesteckt und über eine nicht dargestellte Verdrehsicherungskontur mit einem scheibenförmigen Bodenabschnitt 16 des Rotors 9 sowie mit dem Getriebeelement 7 verbunden.
• In den Ausführungsbeispielen nach den 2 und 3 sind die Permanentmagnete 11 direkt auf die Spindel 3 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt, während der Stator 8 auch in diesem Fall mittels eines Zwischenstücks 14 an der Lagereinheit 4 befestigt ist. Eine Abdeckscheibe 17, welche fest mit dem Zwischenstück 14 verbunden oder einteilig mit diesem ausgebildet ist, schließt den Elektromotor 2 auf der der Lagereinheit 4 abgewandten Seite ab.
• In nicht dargestellter Weise können in allen Ausführungsbeispielen auf die Spindel 3 wirkende Dämpfungsmittel vorgesehen sein. Aufgrund der schwingungstechnisch günstigen Anordnung von Lagereinheit 4, Elektromotor 2 und Getriebeelement 7 ist jedoch in praktisch allen Anwendungsfällen auch ohne solche Dämpfungsmittel ein ausreichend schwingungsarmer Lauf der Spindel 3 gegeben.
• Bezugszeichenliste

1

Friktions-Motorspindel

2

Elektromotor

3

Spindel

4

Lagereinheit

5

Wälzlager

6

Abschnitt

7

Getriebeelement

8

Stator

9

Rotor

10

Spule

11

Permanentmagnet

12

Luftspalt

13

Wälzkörper

14

Zwischenstück

15

Mantel

16

Bodenabschnitt

17

Abdeckscheibe

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 0828872 B1 [0002, 0006]
• DE 102005023928 A1 [0019]

Claims (14)

1. Friktions-Motorspindel, mit einer zur Lagerung einer Spindel (3) vorgesehenen Lagereinheit (4), welche zwei axial voneinander beabstandete Wälzlager (5) umfasst, sowie mit einem zum Direktantrieb der Spindel (3) vorgesehenen, keine eigene Lagerung aufweisenden Elektromotor (2), und mit einem drehfest mit der Spindel (3) verbundenen, ein Teil eines Umschlingungsgetriebes bildenden Getriebelement (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) der Lagereinheit (4) unmittelbar benachbart ist.
2. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) axial zwischen dem Getriebelement (7) und der Lagereinheit (4) angeordnet ist.
3. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinheit (4) axial zwischen dem Elektromotor (2) und dem Getriebelement (7) angeordnet ist.
4. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als Außenläufer ausgebildet ist.
5. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) einen Rotor (9) aufweist, welcher die Lagereinheit (4) in Radialrichtung überragt.
6. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als Innenläufer ausgebildet ist.
7. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (2) ein Synchronmotor vorgesehen ist.
8. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als permanentmagneterregter Motor ausgebildet ist.
9. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (2) ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor vorgesehen ist.
10. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (2) ein Asynchronmotor vorgesehen ist.
11. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektromotor (2) ein Reluktanzmotor vorgesehen ist.
12. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) als Reluktanz-Schrittmotor ausgebildet ist.
13. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Getriebelement (7) eine Zahnriemenscheibe vorgesehen ist.
14. Friktions-Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wälzlager (5) axial gegeneinander vorgespannte Kugellager vorgesehen sind.

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